Materiał na prawach rękopisu.

Do użytku wewnętrznego.

TEORIA I TECHNIKA MIKROFALOWA

Ćwiczenie laboratoryjne

Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych

Opracował:

dr

inż. Adam Konrad Rutkowski

dr

inż. Waldemar Susek

Warszawa 2008

Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych

Ćwiczenie laboratoryjne

Temat:

BADANIE PARAMETRÓW SPRZĘGACZY KIERUNKOWYCH

A. Cel ćwiczenia:

- ugruntować znajomość konstrukcji i parametrów mikrofalowych sprzęgaczy kie-

runkowych,

- ugruntować znajomość budowy oraz zasady działania podzespołów i układów sto-

sowanych w urządzeniach mikrofalowych,

- opanować praktyczną umiejętność pomiaru podstawowych parametrów elementów

i obwodów mikrofalowych.

B. Zagadnienia do przygotowania przed zajęciami:

- przeznaczenie i zastosowania sprzęgaczy kierunkowych,

- podstawowe parametry sprzęgaczy,

- konstrukcja

sprzęgaczy kierunkowych realizowanych w technice falowodowej,

- konstrukcja

sprzęgaczy kierunkowych realizowanych w technice niesymetrycznej

linii paskowej NLP,

- charakter i sens fizyczny wyrazów macierzy rozproszenia podzespołów mikrofa-

lowych,

- metoda pomiaru modułów transmitancji podzespołów mikrofalowych stosowana

w ćwiczeniu,

- metoda pomiaru modułów współczynników odbicia podzespołów mikrofalowych

stosowana w ćwiczeniu,

- struktura, kalibracja i wykorzystanie skalarnych i wektorowych analizatorów ob-

wodów mikrofalowych,

- zakres

zadań ćwiczenia laboratoryjnego (przewidziany w instrukcji),

- struktura stanowiska pomiarowego (znajomość schematu połączeń i wyglądu fi-

zycznego przyrządów pomiarowych),

- sposób wykonywania pomiarów w trakcie realizacji ćwiczenia laboratoryjnego.

2

Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych

C. Zadania do wykonania w trakcie ćwiczeń (szczegółowy zakres, kolejność i warunki re-

alizacji określa nauczyciel prowadzący zajęcia w podgrupie):

- pomiar

modułów transmitancji i modułów współczynnika odbicia sprzęgacza zbliże-

niowego (linii sprzężonych),

- pomiar

modułów transmitancji i modułów współczynnika odbicia sprzęgacza dwuga-

łęziowego,

- pomiar

modułów transmitancji i modułów współczynnika odbicia sprzęgacza zbliże-

niowego Lange’a,

- pomiar

modułów transmitancji i modułów współczynnika odbicia sprzęgacza pierście-

niowego o obwodzie 3/2

λ.

D. Literatura:

Dobrowolski J. A.

Technika wielkich częstotliwości, Oficyna Wydawnicza Politechniki
Warszawskiej, Warszawa

2001

Galwas B.

Miernictwo mikrofalowe, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności,
Warszawa

1985

Litwin R., Suski M.

Technika mikrofalowa, Wydawnictwa Naukowo Techniczne, War-
szawa

1972

Rosłoniec S.

Liniowe obwody mikrofalowe, Wydawnictwa Komunikacji
i Łączności, Warszawa

1999

Oraz skrypty, podręczniki i inne materiały pomocnicze zalecone do przedmiotu.

Wybrane zagadnienia dotyczące niektórych typów sprzęgaczy kierunkowych zamieszczono

także w załączniku 1.

E. Opis stanowiska pomiarowego

W

ćwiczeniu będą podlegały badaniu moduły współczynników odbicia i transmitancji

wybranych modeli mikrofalowych sprzęgaczy kierunkowych. Pomiary będą wykonywane

według metodyk podanych w rozdziale 3 i 4 materiałów pomocniczych zatytułowanych

Technika Mikrofalowa. Wybrane zagadnienia pomiaru parametrów sygnałów i układów mi-

krofalowych. Cz. 1. W dalszej części niniejszej instrukcji dokument ten będzie nazywany Ma-

teriały TM. W Materiałach TM znajdują się również istotne informacje o głównych

podzespołach i

przyrządach wykorzystywanych w ćwiczeniu. Schemat stanowiska

pomiarowego przedstawiono na rysunku 1, a na rysunku 2 zamieszczono widok stanowiska

la

boratoryjnego.

3

Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych

W konstrukcji stanowiska pomiarowego wykorzystano podwójny sprzęgacz kierunkowy (Ma-

teriały TM - rozdział 1 i dodatek D1). Ponieważ jedne z wrót sprzężonych nie będą wykorzy-

stywane więc podłączono do nich obciążenie dopasowane Z

o

. Jako mierniki mocy będą wyko-

rzystywane układy składające się z detektorów mikrofalowych i woltomierzy napięć wolno-

zmiennych (Materiały TM – rozdział 1 i dodatek D1). Tłumik 20 dB włączono w celu zapew-

nienia porównywalnych warunków pracy detektora D1 i D2.

D2

V2

Badany

sprzęgacz

Generator

mikrofalowy

Z

0

-20 dB

-20 dB

D1

Tłumik

20 dB

V1

Sprzęgacz

kierunkowy

(podwójny)

Rys. 1. Schemat stanowiska do pomiaru charakterystyk transmisyjnych

i odbiciowych mikrofalowych sprzęgaczy kierunkowych.

Rys. 2. Widok stanowiska laboratoryjnego Badanie sprzęgaczy kierunkowych (wariant).

4

Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych

Po włączeniu badanego sprzęgacza woltomierz V1 będzie wskazywał napięcie proporcjonalne

do mocy sygnału wyjściowego, a z woltomierza V2 będzie odczytywana wartość napięcia

proporcjonalnego do mocy sygnału odbitego od wrót wejściowych (pobudzanych) sprzęga-

cza. Wykorzystywany w pomiarach generator mikrofalowy 8648D posiada oddzielny przy-

cisk włączania obwodów zasilania i układu generacji sygnału mikrofalowego. W związku

z tym sygnał mikrofalowy pojawi się na wyjściu generatora dopiero po wciśnięciu przycisku

RF ON/OFF. Tym przyciskiem należy również wyłączać generację sygnału przed całkowitym

wyłączeniem zasilania generatora.

F. Przebieg ćwiczenia

1. Przygotowanie stanowiska pomiarowego

Sprawdzić poprawność połączeń elementów stanowiska pomiarowego (rys. 1.). Spisać

przyrządy wykorzystywane w ćwiczeniu. Włączyć zasilanie przyrządów pomiarowych (wol-

tomierz V1 i V2, generator mikrofalowy). Ustawić moc sygnału wyjściowego z generatora P

g

równą +3 dBm.

2. Pomiar mocy sygnału dobiegającego do wrót wejściowych sprzęgacza – dla potrzeb wy-

znaczenia modułu współczynnika odbicia badanych sprzęgaczy.

Pozostawić rozwarte (nieobciążone) wrota wyjściowe pomiarowego sprzęgacza kierun-

kowego. W tym celu do wrót wyjściowych sprzęgacza podłączyć przejście NW-SMAG.

Ustawiając kolejne częstotliwości sygnału z generatora mikrofalowego pomierzyć i zanoto-

wać w tabeli 1a, 1b i 1c wartości napięć U

d2

wskazywane przez woltomierz V2.

3. Pomiar mocy sygnału dobiegającego do wrót wejściowych sprzęgacza – dla potrzeb wy-

znaczenia modułu transmitancji badanych sprzegaczy.

Do wrót wyjściowych sprzęgacza pomiarowego podłączyć (poprzez przejście NW-

SMAG) detektor D1 (wraz z tłumikiem 20 dB). Ustawiając kolejne częstotliwości sygnału

z generatora mikrofalowego pomierzyć i zanotować w tabeli 1a, 1b i 1c wartości napięć U

d1

wskazywane przez woltomierz V1.

Po zakończeniu tej serii pomiarowej przejście NW-SMAG zastąpić przejściem NW-

SMAW.

5

Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych

Tabela 1a.

Tabela 1b.

f

[MHz]

U

d1

[mV]

U

d2

[mV]

P

we

[

µW]

P

pad_2

[

µW]

f

[MHz]

U

d1

[mV]

U

d2

[mV]

P

we

[

µW]

P

pad_2

[

µW]

Tabela 1c.

f

[MHz]

U

d1

[mV]

U

d2

[mV]

P

we

[

µW]

P

pad_2

[

µW]

6

Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych

4. Pomiar mocy sygnału wyjściowego i mocy sygnału odbitego od wrót wejściowych sprzę-

gacza zbliżeniowego.

W układzie pokazanym na rysunku 1 podłączyć wrota 1 badanego sprzęgacza (rys. 3.) do

wrót wyjściowych sprzęgacza pomiarowego, a do wrót 2 badanego sprzęgacza podłączyć

detektor D1 wraz z tłumikiem mikrofalowym. Do pozostałych wrót badanego sprzęgacza

podłączyć obciążenia dopasowane.

Rys. 3. Sprzęgacz zbliżeniowy wykonany w technice niesymetrycznej linii paskowej.

Ustawiając kolejne częstotliwości sygnału mikrofalowego pomierzyć i zanotować w tabeli 2a

wartości napięć U

d1

proporcjonalnych do mocy sygnału wyjściowego i napięć U

d2

proporcjo-

nalnych do mocy sygnału odbitego wskazywane przez woltomierz odpowiednio V1 i V2.

Tabela 2a.

f

[MHz]

U

d1

[mV]

U

d2

[mV]

P

wy

[

µW]

P

odb_2

[

µW]

Γ

1



[V/V]

Γ

1



[dB]

WFS

S

21



[V/V]

S

21



[dB]

7

Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych

Detektor D1 wraz z tłumikiem mikrofalowym przełączyć do wrót 3 badanego sprzęgacza. Do

pozostałych wrót badanego sprzęgacza podłączyć obciążenia dopasowane. Ustawiając kolejne

częstotliwości sygnału mikrofalowego pomierzyć i zanotować w tabeli 2b wartości napięć U

d1

proporcjonalnych do mocy sygnału wyjściowego wskazywane przez woltomierz V1. Wska-

zań woltomierza V2 nie odnotowywać.

Tabela 2b.

f

[MHz]

U

d1

[mV]

P

wy

[

µW]

S

31



[V/V]

S

31



[dB]

Detektor D1 wraz z tłumikiem mikrofalowym przełączyć do wrót 4 badanego sprzęgacza. Do

pozostałych wrót badanego sprzęgacza podłączyć obciążenia dopasowane. Ustawiając kolejne

częstotliwości sygnału mikrofalowego pomierzyć i zanotować w tabeli 2c wartości napięć U

d1

proporcjonalnych do mocy sygnału wyjściowego wskazywane przez woltomierz V1. Wska-

zań woltomierza V2 nie odnotowywać.

Tabela 2c.

f

[MHz]

U

d1

[mV]

P

wy

[

µW]

S

41



[V/V]

S

41



[dB]

8

Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych

5. Pomiar mocy sygnału wyjściowego i mocy sygnału odbitego od wrót wejściowych sprzę-

gacza Lange’a.

W układzie pokazanym na rysunku 1 podłączyć wrota 1 badanego sprzęgacza (rys. 4.) do

wrót wyjściowych sprzęgacza pomiarowego, a do wrót 2 badanego sprzęgacza podłączyć

detektor D1 wraz z tłumikiem mikrofalowym. Do pozostałych wrót badanego sprzęgacza

podłączyć obciążenia dopasowane.

Rys. 4. Sprzęgacz Lange’a wykonany w technice niesymetrycznej linii paskowej.

Ustawiając kolejne częstotliwości sygnału mikrofalowego pomierzyć i zanotować w tabeli 3a

wartości napięć U

d1

proporcjonalnych do mocy sygnału wyjściowego i napięć U

d2

proporcjo-

nalnych do mocy sygnału odbitego wskazywane przez woltomierz odpowiednio V1 i V2.

9

Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych

Tabela 3a.

f

[MHz]

U

d1

[mV]

U

d2

[mV]

P

wy

[

µW]

P

odb_2

[

µW]

Γ

[V/V]

Γ
[dB]

WFS

S

21



[V/V]

S

21



[dB]

Detektor D1 wraz z tłumikiem mikrofalowym przełączyć do wrót 3 badanego sprzęgacza. Do

pozostałych wrót badanego sprzęgacza podłączyć obciążenia dopasowane. Ustawiając kolejne

częstotliwości sygnału mikrofalowego pomierzyć i zanotować w tabeli 3b wartości napięć U

d1

proporcjonalnych do mocy sygnału wyjściowego wskazywane przez woltomierz V1. Wska-

zań woltomierza V2 nie odnotowywać.

Tabela 3b.

f

[MHz]

U

d1

[mV]

P

wy

[

µW]

S

31



[V/V]

S

31



[dB]

10

Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych

Detektor D1 wraz z tłumikiem mikrofalowym przełączyć do wrót 4 badanego sprzęgacza. Do

pozostałych wrót badanego sprzęgacza podłączyć obciążenia dopasowane. Ustawiając kolejne

częstotliwości sygnału mikrofalowego pomierzyć i zanotować w tabeli 3c wartości napięć U

d1

proporcjonalnych do mocy sygnału wyjściowego wskazywane przez woltomierz V1. Wska-

zań woltomierza V2 nie odnotowywać.

Tabela 3c.

f

[MHz]

U

d1

[mV]

P

wy

[

µW]

S

41



[V/V]

S

41



[dB]

11

Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych

6. Pomiar mocy sygnału wyjściowego i mocy sygnału odbitego od wrót wejściowych sprzę-

gacza dwugałęziowego.

W układzie pokazanym na rysunku 1 podłączyć wrota 1 badanego sprzęgacza (rys. 5.) do

wrót wyjściowych sprzęgacza pomiarowego, a do wrót 2 badanego sprzęgacza podłączyć

detektor D1 wraz z tłumikiem mikrofalowym. Do pozostałych wrót badanego sprzęgacza

podłączyć obciążenia dopasowane.

Rys. 5. Sprzęgacz dwugałęziowy wykonany w technice niesymetrycznej linii paskowej.

Ustawiając kolejne częstotliwości sygnału mikrofalowego pomierzyć i zanotować w tabeli 4a

wartości napięć U

d1

proporcjonalnych do mocy sygnału wyjściowego i napięć U

d2

proporcjo-

nalnych do mocy sygnału odbitego wskazywane przez woltomierz odpowiednio V1 i V2.

Tabela 4a.

f

[MHz]

U

d1

[mV]

U

d2

[mV]

P

wy

[

µW]

P

odb_2

[

µW]

Γ

[V/V]

Γ
[dB]

WFS

S

21



[V/V]

S

21



[dB]

12

Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych

Detektor D1 wraz z tłumikiem mikrofalowym przełączyć do wrót 3 badanego sprzęgacza. Do

pozostałych wrót badanego sprzęgacza podłączyć obciążenia dopasowane. Ustawiając kolejne

częstotliwości sygnału mikrofalowego pomierzyć i zanotować w tabeli 4b wartości napięć U

d1

proporcjonalnych do mocy sygnału wyjściowego wskazywane przez woltomierz V1. Wska-

zań woltomierza V2 nie odnotowywać.

Tabela 4b.

f

[MHz]

U

d1

[mV]

P

wy

[

µW]

S

31



[V/V]

S

31



[dB]

Detektor D1 wraz z tłumikiem mikrofalowym przełączyć do wrót 4 badanego sprzęgacza. Do

pozostałych wrót badanego sprzęgacza podłączyć obciążenia dopasowane. Ustawiając kolejne

częstotliwości sygnału mikrofalowego pomierzyć i zanotować w tabeli 4c wartości napięć U

d1

proporcjonalnych do mocy sygnału wyjściowego wskazywane przez woltomierz V1. Wska-

zań woltomierza V2 nie odnotowywać.

13

Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych

Tabela 4c.

f

[MHz]

U

d1

[mV]

P

wy

[

µW]

S

41



[V/V]

S

41



[dB]

7. Pomiar mocy sygnału wyjściowego i mocy sygnału odbitego od wrót wejściowych sprzę-

gacza pierścieniowego o obwodzie 3/2

λ.

W układzie pokazanym na rysunku 1 podłączyć wrota 1 badanego sprzęgacza (rys. 6.) do

wrót wyjściowych sprzęgacza pomiarowego, a do wrót 2 badanego sprzęgacza podłączyć

detektor D1 wraz z tłumikiem mikrofalowym. Do pozostałych wrót badanego sprzęgacza

podłączyć obciążenia dopasowane.

Rys. 6. Sprzęgacz pierścieniowy o obwodzie 3/2

λ wykonany w technice

niesymetrycznej linii paskowej.

14

Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych

Ustawiając kolejne częstotliwości sygnału mikrofalowego pomierzyć i zanotować w tabeli 5a

wartości napięć U

d1

proporcjonalnych do mocy sygnału wyjściowego i napięć U

d2

proporcjo-

nalnych do mocy sygnału odbitego wskazywane przez woltomierz odpowiednio V1 i V2.

Tabela 5a.

f

[MHz]

U

d1

[mV]

U

d2

[mV]

P

wy

[

µW]

P

odb_2

[

µW]

Γ

[V/V]

Γ
[dB]

WFS

S

21



[V/V]

S

21



[dB]

Detektor D1 wraz z tłumikiem mikrofalowym przełączyć do wrót 3 badanego sprzęgacza. Do

pozostałych wrót badanego sprzęgacza podłączyć obciążenia dopasowane. Ustawiając kolejne

częstotliwości sygnału mikrofalowego pomierzyć i zanotować w tabeli 5b wartości napięć U

d1

proporcjonalnych do mocy sygnału wyjściowego wskazywane przez woltomierz V1. Wska-

zań woltomierza V2 nie odnotowywać.

Tabela 5b.

f

[MHz]

U

d1

[mV]

P

wy

[

µW]

S

31



[V/V]

S

31



[dB]

15

Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych

Detektor D1 wraz z tłumikiem mikrofalowym przełączyć do wrót 4 badanego sprzęgacza. Do

pozostałych wrót badanego sprzęgacza podłączyć obciążenia dopasowane. Ustawiając kolejne

częstotliwości sygnału mikrofalowego pomierzyć i zanotować w tabeli 5c wartości napięć U

d1

proporcjonalnych do mocy sygnału wyjściowego wskazywane przez woltomierz V1. Wska-

zań woltomierza V2 nie odnotowywać.

Tabela 5c.

f

[MHz]

U

d1

[mV]

P

wy

[

µW]

S

41



[V/V]

S

41



[dB]

16

Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych

W układzie pokazanym na rysunku 1 podłączyć wrota 3 badanego sprzęgacza (rys. 6.) do

wrót wyjściowych sprzęgacza pomiarowego, a do wrót 2 badanego sprzęgacza podłączyć

detektor D1 wraz z tłumikiem mikrofalowym. Do pozostałych wrót badanego sprzęgacza

podłączyć obciążenia dopasowane. Ustawiając kolejne częstotliwości sygnału mikrofalowego

pomierzyć i zanotować w tabeli 6a wartości napięć U

d1

proporcjonalnych do mocy sygnału

wyjściowego i napięć U

d2

proporcjonalnych do mocy sygnału odbitego wskazywane przez

woltomierz odpowiednio V1 i V2.

Tabela 6a.

f

[MHz]

U

d1

[mV]

U

d2

[mV]

P

wy

[

µW]

P

odb_2

[

µW]

Γ

3



[V/V]

Γ

3



[dB]

WFS

S

23



[V/V]

S

23



[dB]

17

Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych

Detektor D1 wraz z tłumikiem mikrofalowym przełączyć do wrót 4 badanego sprzęgacza. Do

pozostałych wrót badanego sprzęgacza podłączyć obciążenia dopasowane. Ustawiając kolejne

częstotliwości sygnału mikrofalowego pomierzyć i zanotować w tabeli 6b wartości napięć U

d1

proporcjonalnych do mocy sygnału wyjściowego wskazywane przez woltomierz V1. Wska-

zań woltomierza V2 nie odnotowywać.

Tabela 6b.

f

[MHz]

U

d1

[mV]

P

wy

[

µW]

S

34



[V/V]

S

34



[dB]

18

Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych

G. Opracowanie wyników pomiarów

W oparciu o napięcia U

d1

i U

d2

zanotowane w kolejnych tablicach należy obliczyć warto-

ści poszczególnych mocy, a na ich podstawie należy ostatecznie wyznaczyć parametry bada-

nych sprzęgaczy.

Tabela 1a, 1b, 1c:

γ

)

(

)

(

1

f

U

f

P

d

we

=

(1)

γ

)

(

)

(

2

2

_

f

U

f

P

d

pad

=

(2)

gdzie:

U

d1

– napięcie na wyjściu detektora mikrofalowego D1,

U

d2

– napięcie na wyjściu detektora mikrofalowego D2,

P

we

– moc sygnału dobiegającego do wrót wejściowych badanych sprzęgaczy,

P

pad_2

– moc sygnału dobiegającego do wrót wejściowych badanych sprzęgaczy, ale

zmierzona poprzez wrota sprzężone sprzęgacza pomiarowego,

γ – czułość napięciowa detektora mikrofalowego (przyjąć: γ = 0.9mV/µW),

Tabela 2

÷ 6:

γ

)

(

)

(

1

f

U

f

P

d

wy

=

(3)

γ

)

(

)

(

2

2

_

f

U

f

P

d

odb

=

(4)

)

f

(

P

)

f

(

P

)

f

(

_

pad

_

odb

j

2

2

=

Γ

(5)

]

)

f

(

log[

)

f

(

j

]

dB

[

j

Γ

Γ

⋅

= 20

(6)

)

f

(

)

f

(

)

f

(

WFS

j

j

j

Γ

Γ

−

+

=

1

1

(7)

)

f

(

P

)

f

(

P

)

f

(

S

we

wy

ij

=

(8)

]

)

f

(

S

log[

)

f

(

S

ij

]

dB

[

ij

⋅

= 20

(9)

19

Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych

gdzie:

U

d1

– napięcie na wyjściu detektora mikrofalowego D1,

U

d2

– napięcie na wyjściu detektora mikrofalowego D2,

P

we

– moc sygnału dobiegającego do wrót wejściowych badanego sprzęgacza (tabela

1a, 1b, 1c),

P

wy

– moc sygnału we wrotach wyjściowych badanego sprzęgacza,

P

pad_2

– moc sygnału dobiegającego do wrót wejściowych badanego sprzęgacza, ale

zmierzona poprzez wrota sprzężone sprzęgacza pomiarowego (tabela 1a, 1b,
1c),

P

odb_2

– moc sygnału odbitego od wrót wejściowych badanego sprzęgacza, ale zmie-

rzona poprzez wrota sprzężone sprzęgacza pomiarowego,

γ – czułość napięciowa detektora mikrofalowego (przyjąć: γ = 0.9mV/µW),



Γ

j

– moduł współczynnika odbicia wrót wejściowych badanego sprzęgacza wyra-

żony w skali liniowej [V/V],



Γ

j



[dB]

– moduł współczynnika odbicia wrót wejściowych badanego sprzęgacza

wyrażony w skali logarytmicznej [dB],

WFS

j

– współczynnik fali stojącej wrót j,

S

ij

 – moduł transmitancji od wrót j do wrót i badanego sprzęgacza wyrażony

w skali liniowej [V/V],

S

ij



[dB]

– moduł transmitancji od wrót j do wrót i badanego sprzęgacza w skali loga-

rytmicznej [dB].

H. Informacje końcowe

Sprawozdanie powinno być sporządzone starannie na arkuszach papieru formatu A4

i musi zawierać:

- sposób obliczania wartości badanych parametrów mikrofalowych,

- tabele

z

wielkościami zarejestrowanymi w trakcie ćwiczenia oraz z obliczonymi na ich

podstawie wartościami parametrów mikrofalowych,

- wykresy w funkcji częstotliwości wszystkich wielkości zawartych w każdej z tabel.

Wszystkie charakterystyki poszczególnych sprzęgaczy przedstawić na jednym ukła-

dzie współrzędnych,

- wnioski

obejmujące:

-

opis rodzaju badanych mikrofalowych sprzęgaczy kierunkowych,

- komentarz

kształtu charakterystyk zbadanych mikrofalowych sprzęgaczy kie-

runkowych,

- ocenę możliwości zastosowania każdego z badanych mikrofalowych sprzęgaczy

kierunkowych,

-

opis istoty wykorzystywanej metody pomiarowej,

- omówienie czynników, które mogły mieć wpływ na dokładność pomiarów wy-

konywanych w trakcie ćwiczenia.

20

Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych

Załącznik 1

MIKROFALOWE SPRZĘGACZE KIERUNKOWE

Wybrane zagadnienia

Sprzęgacze kierunkowe są to czterowrotniki stanowiące obszerną grupę pasywnych obwodów

mikrofalowych, mających wspólną cechę, kierunkowego przepływu i podziału mocy dopro-

wadzonych sygnałów. Sprzęgacz kierunkowy tworzą dwie prowadnice falowe z odpowiednim

mechanizmem pobudzania. W idealizowanym przypadku wszystkie wrota sprzęgacza są do-

pasowane, a pomiędzy określonymi parami wrót nie zachodzi przepływ sygnałów tzn. są one

wzajemnie izolowane. Ideę działania sprzęgacza kierunkowego przedstawia rysunek Z1

i rysunek Z2.

2

3

1

4

Rys. Z1. Idea działania sprzęgacza kierunkowego typu „w przód” („z falą postępującą”).

2

3

1

4

Rys. Z2. Idea działania sprzęgacza kierunkowego typu „w tył” („wstecz”, „z falą wsteczną”).

W sprzęgaczu przedstawionym na rysunku Z1, fala pobudzająca wrota 1 propaguje się do

wrót 2, część mocy przepływa do wrót 4 a wrota 3 są izolowane względem wrót 1, tzn. przy

pobudzeniu wrót 1 we wrotach 3 nie pojawi się energia. Często stosuje się następujące okre-

ślenia do poszczególnych wrót (stosownie do oznaczeń z rysunku Z1): wrota 2 są w tym

przypadku wrotami bezpośrednimi względem wrót 1, wrota 4 są wrotami sprzężonymi

względem wrót 1, a wrota 3 są wrotami izolowanymi względem wrót 1. Natomiast w układzie

przedstawionym na rysunku Z2, fala pobudzająca wrota 1 propaguje się do wrót 2, które są

21

Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych

wrotami bezpośrednimi, część energii przepływa do wrót 3, które są wrotami sprzężonymi, a

we wrotach 3 nie pojawia się energia, wrota te są więc wrotami izolowanymi względem wrót

1. W sposób analogiczny można określić przepływ energii w sprzęgaczu przy pobudzeniu

innych wrót.

1.3.1. Podstawowe parametry sprzęgacza

Do podstawowych parametrów sprzęgacza zaliczamy:

- sprzężenie sprzęgacza













−

=

wejsciowe

wrota

a

pobudzajac

Moc

h

sprzezonyc

wrotach

we

wyjsciowa

Moc

log

10

C

dB

- Izolacja

sprzęgacza













−

=

wejsciowe

wrota

a

pobudzajac

Moc

h

izolowanyc

wrotach

we

wyjsciowa

Moc

log

10

I

dB

- Kierunkowość sprzęgacza

dB

)

(

C

I

D

−

=

1.3.2. Sprzęgacz zbliżeniowy

Sprzęgacz ten jest zrealizowany za pomocą dwóch ćwierćfalowych niesymetrycznych linii

paskowych położonych równolegle w niewielkiej odległości od siebie (rys. Z3.). Wykorzystu-

je się tutaj naturalne sprzężenie między dwiema liniami, występujące wskutek istniejącego

rozproszonego pola elektromagnetycznego. Zasada działania tych sprzęgaczy wynika

z kierunkowych właściwości sprzężonych prowadnic falowych. W modelu takich prowadnic

przyjmuje się, że w najprostszym przypadku, zachodzi w nich jednoczesna propagacja dwóch

rodzajów pola TEM (tzw. parzystego i nieparzystego).

Rys. Z3. Sprzęgacz zbliżeniowy.

Oba rodzaje pola są charakteryzowane za pomocą odpowiadających im impedancji charakte-

rystycznych Z

0e

i Z

0o

oraz prędkości fazowych v

o

i v

e

(lub efektywnych stałych dielektrycz-

22

Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych

nych

ε

effe

i

ε

effo

). Idealny czterowrotnik utworzony z odcinków dwóch linii sprzężonych

o długości l ma następującą macierz rozproszenia:

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )





















































Θ

+

Θ

−

−

Θ

+

Θ

−

Θ

Θ

+

Θ

−

−

Θ

+

Θ

−

Θ

Θ

+

Θ

−

Θ

Θ

+

Θ

−

−

Θ

+

Θ

−

Θ

Θ

+

Θ

−

−

=

0

sin

cos

1

1

sin

cos

1

sin

0

sin

cos

1

1

0

0

sin

cos

1

sin

sin

cos

1

sin

0

0

sin

cos

1

1

0

sin

cos

1

sin

sin

cos

1

1

0

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

j

k

k

j

k

jk

j

k

k

j

k

jk

j

k

jk

j

k

k

j

k

jk

j

k

k

S

Macierz ta powstała przy następujących założeniach:

Θ

=

=

o

e

lf

lf

υ

π

υ

π

2

2

, Z

0

2

= Z

0e

*Z

0o

gdzie Z

0

jest impedancją obciążającą poszczególne wrota

sprzęgacza a k współczynnikiem sprzężenia równym

o

e

o

e

Z

Z

Z

Z

k

0

0

0

0

+

−

=

. Przedstawiany sprzęgacz

charakteryzuje się niezależnym od częstotliwości dopasowaniem impedancyjnym we wszyst-

kich wrotach oraz nieskończenie dużą izolacją pod warunkiem, że impedancja wyjściowa

źródła pobudzającego i impedancje obciążające wszystkie wrota wyjściowe są takie same

i równe Zo. Sprzęgacz zbliżeniowy jest przykładem sprzęgacza z falą wsteczną lub inaczej

sprzęgacza typu „wstecz” (rys. Z2.).

1.3.3 Sprzęgacz gałęziowy

Sprzęgacze gałęziowe zrealizowane są w postaci dwóch równoległych, najczęściej niejedno-

rodnych linii przesyłowych, połączonych ćwierćfalowymi odcinkami linii (gałęziami)

o odpowiednio dobranych impedancjach. Odległości między gałęziami sprzęgającymi wyno-

szą

λ/4 (rys. Z2.).

23

Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych

Rys. Z4. Sprzęgacz dwugałęziowy.

W sprzęgaczu gałęziowym (rys. Z4.) elementami realizującymi sprzężenie pomiędzy dwiema

liniami są gałęzie. Doprowadzając energię fali elektromagnetycznej do wrót 1 tego sprzęga-

cza, wrota 2 będą wrotami bezpośrednimi a wrota 3 wrotami sprzężonymi, natomiast wrota 4

będą wrotami izolowanymi (przy spełnieniu warunku

gdzie poszczególne y są

admitancjami charakterystycznymi linii i łączących je gałęzi unormowanymi względem admi-

tancji charakterystycznej wrót sprzegacza. Dla przypadku gdy y

1

2

02

2

01

−

= y

y

01

=1 oraz y

02

= 2 sprzęgacz

staje się sprzęgaczem 3 dB, tzn. dla częstotliwości środkowej moc doprowadzona do wrót na

przykład 4, dzielona jest po połowie pomiędzy wrota 3 (w tym przypadku bezpośrednie) i

wrota 2 (w tym przypadku sprzężone). Macierz rozproszenia tego sprzęgacza na częstotliwo-

ści środkowej pasma i dla przedstawionych warunków ma postać:

























−

=

0

1

0

1

0

0

0

0

1

0

1

0

2

1

j

j

j

j

S

Zgodnie z rysunkiem Z1, sprzęgacz gałęziowy jest przykładem sprzęgacza z falą postępującą

lub inaczej sprzęgacza typu „w przód”.

1.3.4 Sprzęgacz zbliżeniowy Lange’a

Inną oryginalną konstrukcją sprzęgacza kierunkowego jest sprzęgacz Lange’a. Składa się on

z kilku odcinków sprzężonych linii paskowych połączonych krzyżującymi się przewodami

jak to pokazano na rysunku Z5.

24

Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych

Rys. Z5. Sprzęgacz Lange’a.

Sprzęgacz Lange’a składa się z dwóch przenikających się wzajemnie ćwierćfalowych odcin-

ków linii paskowych sprzężonych, charakteryzujących się jednakowymi szerokościami pa-

sków W i szczelin S pomiędzy tymi paskami. Paski o tym samym potencjale elektrycznym są

połączone ze sobą za pomocą półcylindrycznych „mostków”, wykonanych z kilku cienkich,

krótkich i sprężystych przewodów. Impedancje charakterystyczne Z

0e

i Z

0o

dowolnej pary linii

sprzężonych (linie bezpośrednio przylegające) mogą być obliczone według następujących

wzorów:

(

)(

)

(

) (

)(

)

(

)(

)

(

)

(

)

2

2

2

0

0

0

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

−

−

+

=

−

−

+

=

−

−

+

+

+

−

+

−

=

n

k

k

q

k

n

q

k

Z

Z

k

n

q

k

q

n

k

k

Z

Z

o

e

o

gdzie k, podobnie jak dla opisanego sprzęgacza zbliżeniowego jest współczynnikiem sprzęże-

nia, a n jest parzystą liczbą pasków. Ze względu na to, że sprzęgacz ten stanowi odmianę

sprzęgacza zbliżeniowego, macierz rozproszenia idealnego sprzęgacza Lange’a oblicza się tak

samo jak przedstawioną w pkt. 1.3.2 macierz jednosekcyjnego sprzęgacza zbliżeniowego.

1.3.5 Sprzęgacz pierścieniowy o obwodzie 3/2

λ

Strukturę sprzęgacza pierścieniowego o obwodzie 3/2

λ przedstawiono na rysunku Z6. Sprzę-

gacz pierścieniowy należy do rodziny sprzęgaczy gałęziowych. Zaliczany jest do grupy

sprzęgaczy 180

0

, w przeciwieństwie do sprzęgacza gałęziowego omówionego w pkt. 1.3.3,

który jest sprzęgaczem 90

0

.

25

Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie parametrów sprzęgaczy kierunkowych

Rys. Z6. Sprzęgacz pierścieniowy o obwodzie 3/2

λ.

W przypadku pobudzenia wrót 1, wrota 4 są wrotami izolowanymi a sygnał dzielony jest po-

między wrota 2 i 3, przy czym oba sygnały wyjściowe są w fazie. Jeżeli sygnał doprowadzo-

ny zostanie do wrót 3, to wrota 2 są izolowane a sygnał dzielony jest pomiędzy wrota 1 i 4,

przy czym w tym przypadku sygnały wyjściowe są w przeciwfazie. Macierz rozproszenia

tego typu sprzęgacza określona dla środkowej częstotliwości pracy sprzęgacza tzn. gdy

Θ=π/2

jest następująca:

















































+

+

−

−

+

+

+

+

−

+

+

+

+

−

−

+

+

−

+

+

−

+

+

−

−

+

+

−

+

+

−

+

+

−

+

+

−

−

=

2

2

2

1

2

2

2

1

2

2

2

1

1

2

2

2

1

2

2

2

2

1

1

2

2

2

1

2

2

2

1

2

2

2

1

2

2

2

2

1

2

2

2

2

1

2

2

2

1

2

2

2

1

1

2

2

2

1

2

2

2

2

1

1

2

2

2

1

2

2

2

1

1

1

1

2

1

2

0

1

2

1

1

0

1

2

1

2

0

1

1

1

2

0

1

2

1

2

1

1

y

y

y

y

y

y

y

j

y

y

y

j

y

y

y

j

y

y

y

y

y

y

y

j

y

y

y

j

y

y

y

y

y

y

y

j

y

y

y

j

y

y

y

j

y

y

y

y

S

gdzie:

2

0

2

1

0

1

a

Z

Z

y

Z

Z

y

=

=

.

Podstawową zaletą tego typu sprzęgacza jest zapewnienie dużej izolacji nawet w przypadku

różniących się od Z

0

impedancji obciążeń wrót, lecz takich samych co do swojej wartości.

Sprzęgacze pierścieniowe znajdują zastosowanie w konstrukcjach mieszaczy zrównoważo-

nych, w których dobrze separują tor sygnałowy od toru heterodyny.

26